Đối thủ mới của LFP là LMFP: Pin thể mangan hứa hẹn điều gì?

LMFP la biến thể được cải biến bằng mangan của hóa học катод lithium sắt photphat (LFP): là một loại hóa học pin lithium-ion thu được bằng cách thay thế một số nguyên tử sắt bằng mangan, giữ lại các ưu điểm an toàn và chi phí của LFP đồng thời cung cấp điện áp hoạt động cao hơn và mật độ năng lượng cao hơn. Với mật độ năng lượng tế bào 180–230 Wh/kg, nó nằm trên LFP và thấp hơn nhiều so với NMC, hướng tới việc lấp đầy khoảng cách giữa hai loại hóa học này trên thị trường xe điện.

LMFP là gì và Mangan làm việc gì?

Viết đầy đủ của LMFP là lithium mangan sắt photphat; công thức được viết dưới dạng LiMnₓFe₍₁₋ₓ₎PO₄. Nói ngắn gọn, đây là phiên bản mà một phần các nguyên tử sắt trong tinh thể катod của LFP (LiFePO₄) đã được thay thế bằng mangan. Phụ gia mangan được thực hiện ở giai đoạn sản xuất tế bào, với tỷ lệ thay đổi trong công thức vật liệu; đây không phải là một tham số có thể điều chỉnh sau ở cấp độ gói hoặc hệ thống. Nghĩa là việc sử dụng mangan ở tỷ lệ nào là quyết định của nhà sản xuất vật liệu tổng hợp bột катod.

Công việc chính của mangan là kéo điện áp lên cao hơn. Cặp khử oxy hóa Mn²⁺/³⁺ có thế oxygen hóa cao hơn cặp Fe²⁺/³⁺, điều này trực tiếp nâng cao điện áp hoạt động của tế bào. Điểm cần lưu ý như sau: Dung lượng lý thuyết của LMFP hoàn toàn giống với LFP, 170 mAh/g. Sự gia tăng mật độ năng lượng không đến từ dung lượng mà từ điện áp. Vì năng lượng được định nghĩa là điện áp nhân với dung lượng, một катod cung cấp cùng dung lượng ở điện áp cao hơn sẽ thu được nhiều năng lượng hơn từ cùng một trọng lượng.

Tại sao cấu trúc olivin vẫn còn hiệu lực?

Việc thêm mangan không thay đổi khung cơ bản của hóa học. LMFP sử dụng cùng cấu trúc tinh thể olivin như LFP (nhóm không gian trực thoi Pnma). Cấu trúc ba chiều và cứng nhắc này hạn chế sự biến dạng trong tinh thể trong các chu kỳ sạc-xả. So với các катod NMC có cấu trúc lớp, vì nó ổn định hơn nhiều về mặt cơ học, những điểm mạnh đã biết của LFP như tuổi thọ chu kỳ dài và an toàn nhiệt cũng được áp dụng cho LMFP. Sự khác biệt không nằm ở cấu trúc mà ở hỗn hợp kim loại bên trong cấu trúc.

LFP, LMFP và NMC: So sánh bằng số liệu

Việc đặt ba loại hóa học cạnh nhau làm rõ tại sao LMFP được xem không phải là một giải pháp trung gian mà là một lựa chọn có sức cạnh tranh riêng. Năng lượng cao hơn LFP, an toàn và tuổi thọ tốt hơn NMC - giá trị đề xuất của LMFP có thể được tóm tắt trong hai câu này.

Tỷ lệ liên quan đến sự khác biệt về mật độ năng lượng trong bảng thay đổi tùy theo cách định nghĩa: Các giá trị từ %%10 đến %%20 được đưa ra và sự khác biệt này phụ thuộc vào tỷ lệ mangan trong cell. Hãy chú ý đến độ dẫn cao của NMC trong bảng; con số này cũng là bản tóm tắt của những thách thức sản xuất mà chúng ta sẽ đề cập trong phần tiếp theo. Giá trị 10⁻¹³ S/cm của LMFP kém rõ rệt so với cả hai đối thủ và không thể sử dụng nếu không có các biện pháp kỹ thuật nghiêm túc.

Thách thức sản xuất: Tại sao tỷ lệ Mn/Fe lại quan trọng?

Khoảng cách giữa những ưu điểm trên lý thuyết của LMFP và thực tế sản xuất hàng loạt xuất phát từ bốn vấn đề kỹ thuật cơ bản:

• Độ dẫn điện tử thấp: Khi hàm lượng mangan tăng lên, độ dẫn càng giảm; sự di chuyển của electron trong cathode trở nên khó khăn hơn.
• Sự khuếch tán ion lithium chậm: Tốc độ di chuyển của ion trong cấu trúc tinh thể giảm, điều này dẫn đến mất hiệu suất ở dòng điện cao.
• Sự hòa tan của mangan: Trong các chu kỳ, mangan có thể hòa tan khỏi điện cực thông qua một phản ứng được gọi là disproportionation; đây là một trong những cơ chế chính gây ra sự mất dung lượng.
• Mất biến dạng Jahn-Teller và polaron: Cấu trúc điện tử của ion Mn³⁺ gây ra các biến dạng cục bộ trong tinh thể và làm chậm động học điện cực.

Kết quả của tất cả những điều này là một phương trình cần được giải quyết trong thiết kế vật liệu: mangan làm tăng mật độ năng lượng nhưng làm hỏng động học điện cực; sắt mang lại độ ổn định và khả năng sạc nhanh. Vì vậy, tỷ lệ Mn/Fe là một trong những quyết định thiết kế quan trọng nhất của LMFP. Hàm lượng mangan cao hơn hứa hẹn năng lượng cao hơn, nhưng lại đặt hành vi sạc nhanh và tuổi thọ của cell vào tình trạng rủi ro.

Các phương pháp giải quyết

Ngày nay, các vật liệu LMFP thương mại đang vượt qua những vấn đề này bằng hai công nghệ cơ bản. Thứ nhất là giảm kích thước hạt cathode xuống cấp độ nano: đường khuếch tán ngắn hơn bù đắp cho sự di chuyển ion chậm. Thứ hai là lớp phủ carbon: bao bọc bề mặt hạt bằng một lớp carbon dẫn điện giúp khắc phục độ dẫn điện tử thấp. Lớp phủ carbon và pha tạp ion ngày nay được coi là bắt buộc trên thực tế, và nhờ các phương pháp này, tuổi thọ chu kỳ đã được đảm bảo vượt quá 2.000 chu kỳ.

Về mặt tổng hợp, có hai phương pháp được sử dụng: pha rắn và pha lỏng. Tổng hợp pha rắn đơn giản và rẻ hơn; tổng hợp pha lỏng phức tạp hơn nhưng tạo ra vật liệu đồng nhất hơn và nổi bật là phương pháp được ưa chuộng cho LMFP hiệu suất cao. Ngoài ra, LMFP còn được sử dụng bằng cách trộn với các cathode có profin điện áp tương tự như NMC (cách tiếp cận blend); các hỗn hợp này nhằm cải thiện hồ sơ an toàn của NMC và là chủ đề của những nỗ lực kết hợp thế mạnh của hai vật liệu trong một electrode duy nhất.

LMFP Được Sử Dụng Trên Những Xe Nào?

Phân khúc mà LMFP nhắm đến rất rõ ràng: những xe điện tầm trung mà mật độ năng lượng của LFP không đủ đáp ứng, còn NMC thì quá nặng về chi phí và an toàn. Đối với các nền tảng tầm xa - phân khúc có mục tiêu 500-1.000 km - hóa học này được xem là ứng viên tự nhiên. Các thị trường khí hậu lạnh cũng nổi bật; hiệu suất nhiệt độ thấp của LMFP được đánh giá là tốt hơn LFP.

Tín hiệu từ phía các nhà sản xuất cũng theo hướng này. Nhà sáng lập BYD Wang Chuanfu đã công bố LMFP là người kế thừa của LFP vào năm 2014; CALB giới thiệu một tế bào LMFP có mật độ năng lượng 180 Wh/kg ở cấp độ gói vào năm 2022; Gotion công bố một pin LMFP với mục tiêu tầm xa 1.000 km và hé lộ các tế bào LMFP đạt mật độ năng lượng ở cấp độ NMC. Những tế bào này được dự kiến sẽ xuất hiện trước tiên trên các mẫu xe điện tầm trung tại Trung Quốc. Ngoài pin, các xe như Model 3 tầm tiêu chuẩn vẫn tiếp tục sử dụng LFP; nghĩa là LMFP chưa thay thế LFP mà đang ở vị trí một lớp bổ sung hướng về phân khúc cao cấp.

Phía cung ứng đã sẵn sàng đến đâu?

Trong sản xuất vật liệu cũng có sự sôi động: Vật liệu catot hoạt động LMFP của Integrals Power đã vượt ngưỡng 1.000 chu kỳ trong các thử nghiệm của QinetiQ; Mitra Chem bắt đầu gửi mẫu vật liệu catot thương mại đến khách hàng toàn cầu. Tuy nhiên, đánh giá từ phía pin công nghiệp thận trọng hơn: người ta nhấn mạnh rằng LMFP chưa phải là một công nghệ không đánh đổi, an toàn và độ tin cậy cần được xác minh trước khi sử dụng công nghiệp, và không thấy dấu hiệu vội vàng đưa ra thị trường trong số các nhà cung cấp. Khoảng cách giữa các nhà sản xuất Trung Quốc công bố 4.000+ chu kỳ ở DoD 80% trên tế bào thương mại với cách tiếp cận đang chờ xác minh trong các ứng dụng công nghiệp tóm tắt tốt mức độ trưởng thành hiện tại của công nghệ này.

Vị Trí Của LMFP So Với Pin Chất Rắn và Natri-Ion

LMFP không bước vào một khoảng trống mà là một sân cạnh tranh. Vị trí trên trục mật độ năng lượng rất rõ ràng: tế bào natri-ion đạt ~175 Wh/kg; LFP ở mức ~205 Wh/kg, các hóa học lithium gốc nikel ở mức ~255 Wh/kg. LMFP có thể lên tới 230 Wh/kg, vượt trội rõ rệt về mật độ năng lượng so với natri-ion. Tuy nhiên natri-ion có những lá bài riêng: không chứa cobalt, nguyên liệu thô dồi dào và hiệu suất trong thời tiết lạnh. Nghĩa là LMFP sẽ cạnh tranh ở phân khúc giữa nơi mật độ năng lượng đủ dùng, còn với natri-ion ở phân khúc dưới nơi chi phí và khả năng chịu lạnh là yếu tố quyết định.

Bức tranh ở phía pin chất rắn thì khác. Geely xác nhận sẽ hoàn tất sản xuất gói pin chất rắn hoàn toàn đầu tiên vào năm 2026; công nghệ chất rắn hứa hẹn mật độ năng lượng cao và tuổi thọ dài. Đây là một bước tiến có thể nâng giới hạn trên của LMFP - nhưng chi phí và quy mô sản xuất của pin thể rắn sẽ quyết định mức độ thu hẹp thị trường tiềm năng của LMFP trong những năm tới. Trong ngắn hạn và trung hạn, LMFP đóng vai trò như một công nghệ cầu nối thực dụng do tương thích với cơ sở hạ tầng sản xuất hiện có: vì cấu trúc olivin và hóa học phosphate thuộc cùng họ với LFP, các nhà sản xuất có thể tăng mật độ năng lượng trong khi phần lớn giữ nguyên các dây chuyền sản xuất tế bào hiện có.

Đánh giá: LMFP Có Phải Là Bước Tiếp Theo?

Hãy tóm tắt bức tranh có thể đo lường được. LMFP mang lại mức tăng mật độ năng lượng 10–20% và mức tăng điện áp khoảng 0,5 V trong khi phần lớn giữ được các ưu điểm về an toàn, tuổi thọ chu kỳ và chi phí của LFP. Việc tránh xa cobalt và các kim loại hiếm giúp giữ rủi ro chuỗi cung ứng ở mức thấp so với NMC. Các dự báo thị trường cũng chỉ ra sự tăng trưởng: Thị trường cathode toàn cầu bao gồm cả LFP và LMFP được dự báo sẽ tăng từ 15,1 tỷ USD vào năm 2025 lên 47,3 tỷ USD vào năm 2035. (Lưu ý rằng các dự báo này khác nhau tùy theo định nghĩa cathode; một số báo cáo chứa những con số hung hăng hơn nhiều vì đo lường cấp tế bào và cấp cathode một cách riêng biệt.)

Tuy nhiên, các rào cản kỹ thuật vẫn còn trên bàn. Độ dẫn thấp, sự hòa tan của mangan và sự suy giảm động học điện cực là những vấn đề cần giải quyết lại trong mỗi thế hệ LMFP mới. Nhận định thực tế hiện nay như sau: LMFP không phải là bước thay thế LFP, mà là một bước tiến hóa mở rộng nó lên phân khúc cao cấp - dự kiến sẽ xuất hiện ngày càng nhiều trong các xe điện tầm trung, tầm xa trong những năm tới, nhưng để ổn định ở quy mô công nghiệp, các xác nhận về an toàn và tuổi thọ cần phải hoàn tất.

Nguồn tham khảo

• What is LMFP? | LMFP Battery
• Lithium Manganese Iron Phosphate (LMFP) Batteries
• LMFP chemistry: advantages, limitations and differences vs LFP
• High-energy-density lithium manganese iron phosphate
• Lithium manganese iron phosphate materials
• 5 Astonishing Insights on LMFP vs LFP
• LMFP Cathode Material Design
• LMFP Material: Energy Density, Conductivity & Testing
• LMFP vs LFP
• Sodium-ion battery momentum grows, but challenges remain
• LFP & LMFP Cathode Market Size & Share 2026-2035
• LMFP Battery Market
• Integrals Power's LMFP cells pass 1000-cycle milestone in QinetiQ testing
• Mitra Chem commercial LMFP cathode sample shipments
• Are solid-state batteries finally coming?